네이처 에너지 게재… 차세대 전기차 시장 주도권 쥔다

한양대 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 경쟁국의 추격을 압도할 수 있는 초고성능 차세대 양극소재 개발에 성공했다고, 한양대가 20일 밝혔다. 이번 연구는 높은 학술적 가치를 인정받아 에너지 분야의 세계 최고 권위 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy IF: 67.439)’에 게재됐다.

양극소재는 이차전지를 구성하는 4대 소재 중 하나로 배터리의 에너지 밀도, 수명 및 가격에 가장 큰 영향을 미친다. 세계 각국이 배터리 산업에서 주도권을 가져오기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있는 가운데, 중국의 경우 값싼 인산 철 (LFP)양극소재를 앞세워 시장에 침투하고 있는 반면, 우리나라는 고성능의 NCM, NCA 및 NCMA (니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극소재를 바탕으로 돌파구를 찾고 있다.

이를 위해 니켈의 비중이 높은 ‘하이니켈 소재’를 개발하려는 시도가 과학계 및 산업계 전반에서 진행되고 있다. 하지만 하이니켈 소재의 표면에서 발생하는 다양한 부반응들은 소재를 직접적으로 열화 시키고 ‘잔류리튬’을 형성시켜 배터리의 안정성과 신뢰도를 하락시킨다.

선양국 교수 연구팀은 이러한 문제점들을 해결한 초격차 양극소재를 개발하기 위해 획기적인 표면처리 기술을 해결책으로 제시하였다.

일반적으로 하이니켈 소재는 표면의 잔류리튬을 제거하기 위해 물에 세척하는 과정을 거치는데, 연구팀은 세척 과정에서 잔류리튬을 제거함과 동시에 양극소재의 표면을 보호하기 위한 전이금속 코팅층을 수 나노미터 수준으로 형성시켰다. 또한 전이금속 코팅층 바깥에 ‘리튬 무기화합물(LiF)’을 추가로 형성시켜 배터리 사용 도중 전해액과 부반응을 억제하여 양극소재의 안장성을 대폭 향상시켰다.

연구팀의 신개발 양극소재를 활용하면 1회 충전 시 700~800 km 주행이 가능하며 20년 이상 사용할 수 있는 전기차 배터리를 생산할 수 있다. 이는 아직까지 학계에 보고되지 않은 세계 최고 수준의 성능과 안정성을 최초로 구현한 것이다.

또한 기존 생산 공정에도 쉽게 적용될 수 있고 공정이 복잡하지 않아 기술 상용화에 큰 어려움이 없을 것으로 기대된다. 또한 해당 기술은 하이니켈 소재뿐만 아니라 저코발트 및 무코발트 양극소재에도 적용될 수 있어 차세대 양극소재를 개발하는 데에도 그 활용 가치가 높다.

선양국 교수는 이번 연구 결과에 대해 “차세대 배터리 시장을 선점할 수 있는 핵심 기술로 자리 잡을 것”이라며 “우리나라가 차세대 배터리 시장을 주도할 수 있도록 압도적인 성능의 소재 개발을 위해 끊임없이 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업 ‘탄소중립 인력양성 에너지 혁신 연구센터’ 프로그램을 통해 수행됐다.

한편, 선양국 교수는 이차전지 분야에서 약 30년간 연구에 매진해 온 세계적 석학으로 최근에는 미세구조조절에 관한 원천기술을 개발하여 양극소재의 성능을 획기적으로 향상시켰으며, 기술이전을 통해 산업계에 지대한 영향을 미쳤다.

[사진자료1] 연구팀의 신개발 양극소재와 일반 양극소재 비교 모식도

[사진자료2] 선양국 교수